一款兼容STM32和51單片機(jī)的實(shí)驗教學(xué)平臺開發(fā)

金國華, 畢 勝, 王 璐, 張大力

(1. 大連海事大學(xué) 國家級電工電子教學(xué)示范中心, 遼寧 大連 116026;2. 大連理工大學(xué) 航空航天學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域。由于51系列單片機(jī)應(yīng)用較早,技術(shù)較成熟,當(dāng)前很多高校的單片機(jī)課程、實(shí)驗、課程設(shè)計都是圍繞著51系列單片機(jī)開展[1-4]。隨著單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)纹瑱C(jī)功耗、運(yùn)算性能、開發(fā)工具、系統(tǒng)整合等方面的要求越來越高,意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的STM32F1系列超低功耗32位ARM微控制器,采用Cortex-M3內(nèi)核,具有較低的電壓范圍、高速的運(yùn)算能力、優(yōu)異的實(shí)時性能、杰出的功耗控制、極低的開發(fā)成本、豐富的外設(shè)等優(yōu)點(diǎn),在嵌入式系統(tǒng)中、低端領(lǐng)域特別是醫(yī)療、汽車、家電、儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛[5-7],因此許多高校開始進(jìn)行單片機(jī)課程的教學(xué)改革,引入STM32F1系列單片機(jī)的教學(xué)。在微機(jī)單片機(jī)課程的教學(xué)過程中實(shí)驗和實(shí)踐環(huán)節(jié)非常重要，如何確定一套最適宜學(xué)生使用的實(shí)驗設(shè)備,在復(fù)雜性、典型性、方便性、可靠性以及設(shè)備成本間如何取得最佳均衡是一個需要教學(xué)工作者認(rèn)真研究的問題[8]。市面上STM32教學(xué)實(shí)驗平臺不能很好滿足本校課程的要求，實(shí)驗內(nèi)容不能自定義、平臺價格昂貴、維修不便、編譯軟件不符合主流設(shè)計的要求等諸多缺點(diǎn)[9],因此我們決定根據(jù)微機(jī)單片機(jī)實(shí)驗室對實(shí)驗、實(shí)踐課程的要求量身定做、自主研發(fā)設(shè)計一款兼容STM32和51單片機(jī)的實(shí)驗教學(xué)平臺。

1 實(shí)驗教學(xué)平臺系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架模型

實(shí)驗教學(xué)平臺設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的理念,系統(tǒng)設(shè)計主要由STM32/51單片機(jī)核心板、I/O擴(kuò)展板和外設(shè)集成底板構(gòu)成。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 實(shí)驗教學(xué)平臺系統(tǒng)框圖

1.2 STM32核心板

STM32芯片種類很多,綜合考慮外設(shè)資源、運(yùn)算能力、功耗、成本、學(xué)生的學(xué)習(xí)能力等方面,決定采用基于ARM CORTEXTM-M3 內(nèi)核的、意法半導(dǎo)體(ST)公司原裝進(jìn)口的高性能MCU——STM32F103ZET6。為了方便學(xué)生操作并節(jié)省成本,在設(shè)計核心板時把J-LINK仿真電路附帶上,因此不需要單獨(dú)配置仿真器。STM32核心板結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖見圖2。

圖2 STM32核心板的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖

1.3 51核心板

51芯片種類很多,跟STM32相比相對簡單,容易上手,綜合考慮外設(shè)資源、運(yùn)算能力、成本、學(xué)生的學(xué)習(xí)能力等方面,選用宏晶科技的LQFP44封裝、支持硬件在線仿真的IAP15F2K61S2。設(shè)計的51核心板做到了軟啟動下載程序,而且能夠進(jìn)行硬件仿真(不需要仿真器),設(shè)計了一個轉(zhuǎn)接板電路后該核心板能夠兼容89C51至12C5A中所有型號單片機(jī)。51核心板結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 51核心板結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖

1.4 I/O擴(kuò)展板

為了在主板面積一定的情況下，盡可能多地加入更多的外設(shè)模塊電路、節(jié)約主板的面積,實(shí)驗教學(xué)平臺單獨(dú)設(shè)計了一塊I/O擴(kuò)展板。 I/O擴(kuò)展板主要包括STM32單片機(jī)I/O區(qū)域、51單片機(jī)I/O區(qū)域、系統(tǒng)電壓區(qū)域、攝像頭及觸摸屏數(shù)據(jù)線接口區(qū)域、連接端子區(qū)域。I/O擴(kuò)展板結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖見圖4。

1.5 外設(shè)集成板

根據(jù)本校微機(jī)單片機(jī)實(shí)驗和實(shí)踐教學(xué)的需求,實(shí)驗教學(xué)平臺設(shè)計的外設(shè)集成板中包含了20個模塊,分別是LED模塊、RGB LED模塊、TM1638鍵盤數(shù)碼管模塊+獨(dú)立按鍵、24.4 mm(0.96英寸)OLED模塊、81.3 mm(3.2英寸)TFT觸摸屏模塊、LCD1602模塊、無源蜂鳴器模塊、DS18B20測溫模塊、SD卡模塊、ADC應(yīng)用模塊、電容觸摸按鍵模塊、VS1838B紅外遙控模塊、雙路繼電器模塊、串口模塊、HC-06藍(lán)牙透傳模塊、NRF24L01 2.4 G無線傳輸模塊、CAN總線模塊、RS485模塊、以太網(wǎng)模塊、OV7670攝像頭模塊(帶FIFO)。外設(shè)集成板的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖見圖5。

圖4 I/O擴(kuò)展板結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖

圖5 外設(shè)集成板結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖

外設(shè)集成板承載了許多實(shí)驗?zāi)K電路,但是各模塊間不相關(guān),只有系統(tǒng)電源的連接,各模塊電路的輸入輸出全部由端子引出。這樣設(shè)計的目的一是避免了黑箱教學(xué),學(xué)生在實(shí)驗時需要自己連線、搭建硬件電路,再根據(jù)電路編程,能夠通過短暫的實(shí)驗加深對實(shí)驗內(nèi)容的理解;二是方便進(jìn)行二次開發(fā),為后續(xù)的單片機(jī)相關(guān)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計提供很好的平臺。

1.6 實(shí)驗教學(xué)平臺

實(shí)驗教學(xué)平臺實(shí)物圖見圖6。

圖6 實(shí)驗教學(xué)平臺實(shí)物圖

2 實(shí)驗設(shè)計

針對該款實(shí)驗教學(xué)平臺設(shè)計了基礎(chǔ)驗證性實(shí)驗、綜合擴(kuò)展性實(shí)驗、創(chuàng)新設(shè)計性實(shí)驗3個層次的實(shí)驗?；A(chǔ)驗證性實(shí)驗包括LED流水燈、蜂鳴器、按鍵中斷、矩陣鍵盤、數(shù)碼管顯示、ADC、串行通信等?；A(chǔ)驗證性實(shí)驗幫助學(xué)生理解和掌握基礎(chǔ)知識、基本原理、基本的程序編寫和調(diào)試技能。綜合擴(kuò)展性實(shí)驗包括電子時鐘、溫濕度檢測、電子萬年歷、PWM控制、電子稱、出租車計價器、觸摸屏、OLED屏幕顯示等。綜合擴(kuò)展性實(shí)驗重在提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，以及軟硬件開發(fā)設(shè)計、調(diào)試、測試等技能。創(chuàng)新設(shè)計性實(shí)驗包括智慧公交系統(tǒng)、霧霾檢測系統(tǒng)、航樓控制系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、智能輸液監(jiān)測與控制系統(tǒng)等。創(chuàng)新設(shè)計性實(shí)驗重在培養(yǎng)學(xué)生的分析問題解決問題的能力、動手能力、創(chuàng)新設(shè)計思維和團(tuán)隊協(xié)作意識[10]。

3 結(jié)語

本實(shí)驗教學(xué)平臺采用模塊化、結(jié)構(gòu)化、開放式的創(chuàng)新設(shè)計理念,相比于市面產(chǎn)品具有如下優(yōu)勢：兼容兩種MCU,采用插拔式MCU核心板的設(shè)計,方便后期維護(hù);STM32核心板板載J-Link下載器;51核心板做到軟啟動下載程序,而且能夠進(jìn)行硬件仿真(不需要仿真器)，能夠兼容89C51至12C5A中所有型號單片機(jī);I/O口全部引出,并有單獨(dú)的I/O擴(kuò)展板可供插線,節(jié)約底板面積,方便實(shí)驗操作;底板做了可靠的電源保護(hù),并且有電壓電流監(jiān)測;底板外設(shè)資源豐富,集成了20個模塊和2個模塊擴(kuò)展槽。該平臺具有良好的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性,為實(shí)驗、課程設(shè)計、科研、電子設(shè)計競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等提供一個靈活可靠的硬件及軟件調(diào)試的平臺。